Фаза (термодинамика)

Фаза — подрачје во просторот (термодинамички систем) во кое сите физички својства на еден материјал се суштински еднообразни.^[1]^[2]^:86^[3]^:3 Примери за физички својства се густината, показателот на прекршување, магнетизацијата и хемискиот состав. Поупростено, фазата е подрачје на материјалот кое е хемиски еднообразно, физички посебно, и (честопати) механички одделиво. Во систем од мраз и вода во стаклена тегла, коцките мраз се една фаза, водата е втора, а влажниот воздух над нив е трета. Стаклото на теглата е друга посебна фаза.

Поимот фаза понекогаш се користи синонимно на состојба на материјата (агрегатна состојба), но постојат неколку немешливи фази со во иста состојба. Исто така, поимот фаза се користи за низа рамнотежни состојби кои се одделуваат со состојбените променливи како притисокот и температурата по нивната фазна граница на фазен дијаграм. Бидејќи фазните граници се однесуваат на промените во подреденоста на материјата, како од течност во цврсто тело или посуптилна промена од една кристална структура во друга, второто значења на поимот „фаза“ е сличен на синонимот за состојба на материјата. Меѓутоа, претставите на состојбите и фазите не се истомерни со горенаведената формална одредба, и предвиденото значење се одредува по контекстот на употреба.

Видови фази

Железно-јаглероден фазен дијаграм со условите потребни за образување на разни фази.

Различните фази можат да се обишат како различни состојби на материјата како гасовита, течна, цврста, плазмена или Бозе-Ајнштајнов кондензат. Корисните меѓуфази помеѓу цврстата и течната образуваат други состојби на материјата.

Дадена состојба на материјата исто така може да има повеќе различни фази. Како што се гледа од дијаграмот за железни легури, постојат неколку фази како за цврстата, така и за течната состојба. Фазите може да се разликуваат и според растворливоста како поларна (хидрофилна) неполарна (хидрофобна). Мешавината од вода (поларна течност) и масло (неполарна течност) спонтано се двои на две фази. Водата има многу ниска растворливост (е нерастворлива) во масло, а маслото има ниска растворливост во вода. Растворливоста претставува најголемото количество на материја која може да се раствори во друга пред да прекине да се раствора и да остане во посебна фаза. Мешавината може да се оддели во повеќе од две течни фази, а концептот на фазно одделување важи и за цврстите материи, кои можат да создадат цврсти раствори или да се кристализираат во посебни кристални фази. Металните парови кои се заемно растворливи можат да образуваат легури, но ова не е можно кај заемно нерастворливи метали.

Забележани се дури осум немешливи течни фази.^{[б 1]} Заемно немешливи течни фази се создаваат од вода (водена фаза), хидрофобни органски растворувачи, перфлуоројаглероди (флуорна фаза), силикони, неколку различни метали, како и стопен фосфор. Не сите органски растворувачи се наполно мешливи; на пр. мешавината од етилен гликон и толуен може да се раздвои на две посебни органски фази.

Фазите не мора спонтано да се разделат во макроскопски размер. Емулзиите и колоидите се примери за немешлив фазен пар кој физички не се двои.

Фазна рамнотежа

Ако се остават во рамнотежа, многу состави создаваат една еднообразна фаза, но зависно од температурата и притисокот, дури и една супстанција може да се раздвои на две или повеќе засебни фази. Во рамките на секоја фаза, својствата се еднообразни, но истите се разликуваат од една до друга фаза.

Водата во затворена тегла со воздух над неа сочинува двофазен систем. Најголемиот дел од водата е во течна фаза, каде е целовидна поради заемното привлекување на водените молекули. Дури и при рамнотежа, молекулите се во постојано движење и, од време на време, молекула од течната фаза добива доволно кинетичка енергија за да се одвои од течната фаза и да влезе во гасовита. По истата законитост, повремената молекула од пареа се судира со течната површина и се кондензира во течност. При рамнотежа, испарувањето и кондензацијата се во точна рамнотежа и нема нето-промена во зафатината на ниедна фаза.

При собна температура и притисок, теглата со вода достигнува рамнотежа кога воздухот над водата е со влажност од околу 3 %. Постотокот се зголемува со накачувањето на температурата. При 100 °C и атмосферски притисок, рамнотежата се постигнува дури кога воздухот ќе биде 100 % вода. Ако течноста се загрее на малку повеќе од 100 °C, преминот од течнсот во гас нема само да се одвива на површината, туку и низ сета течна зафатнина, односно водата зоврива..

Број на фази

Фазен дијаграм за еднообразен материјал во цврста, течна и гасовита фаза. Полната зелена линија е вообичаената течно-цврста фазна линија. Испрекинатата зелена линија го прикажува аномалното поведение на водата при зголемен притисок. Тројната и критичната точка се претставени со црвени точки.

За даден состав, можни се само извесни фази при дадена температура и притисок. Бројот и видот на фази кои ќе се создадат тешко се предвидуваат и обично се одредуваат опитно. Исходот од ваквите опити може да се исцрта во фазни дијаграми.

Тука прикажаниот фазен дијаграм се однесува на едноделен систем. Во овој прост систем, можните фази зависат само од притисокот и температурата. Белезите ги покажуваат точките кајшто можат две или повеќе фази можат да опстојуваат во рамнотежа. Вон белезите може да постои само по една фаза во рамнотежа.

Во дијаграмот, сината линија која ја исцртува границата меѓу течноста и гасот не продолжува бесконечно, туку завршува во точка наречена критична точка. Како што температурата и притисокот се доближуваат до критичната точка, својствата на течноста и гасот стануваат сè послични. Во критичната точка, течноста и гасот стануваат неразличиви. Над оваа точка, повеќе не постојат течни и гасовити фази: постои само општа флуидна фаза која се нарекува суперкритична течност. Кај водата, критичната точка се јавува околу 647 K (374 °C) и 22,064 MPa.

Една необична одлика на фазниот дијаграм на водата е тоа што цврсто–течната фазна линија (испрекината зелена линија) има негативен пад. Кај највеќето супстанци, наклонот е позитивен, како што е темнозелената линија. Ова необична одлика значи дека мразот има помала густина од течната вода. Со зголемување на притисокот, водата влегува во погустата фаза, што предизвикува топење.

Друга интересна иако не необична одлика на фазниот дијаграм е точката каде цврсто-течната фазна линија ја среќава црврсто-гасовитата фазна линија. Нивниот пресек се нарекува тројна точка, во која истовремено се присутни сите три фази.

Меѓугранични појави

Помеѓу две фази во рамнотежата постои тесено подрачје каде својствата не припаѓаат на ниедна од двете фази. Иако ова подрачје може да биде многу тенко, може да има значајни и лесно забележливи ефекти, како да речеме површинскиот напон кај течностите. Кај мешавините, некои состојки може да се придвижат кон границата. Во моделирањето, опишувањето и објаснувањето на овој систем, корисно е да се претстави како посебна фаза.

Кристални фази

Еден материјал може да има неколку засебни цврсти фазни состојби способни да сочинат различни фази. Водата е познат пример за таков материјал. На пример, водениот мраз обично се среќава во шестаголен мраз I_h, но може да постои и како коцкест мраз I_c, ромбоедарски мраз II и многу други облици. Полиморфизмот е способноста на едно цврсто тело да постои во повеќе од еден кристален облик. Кај чистите хемиски елементи, полиморфизмот е познат како алотропија. На пример, дијамантот, графитот и фулерените се различни алотропи на јаглеродот.

Фазни премини

Кога една супстанца претрпува фазен премин (ја менува агрегатната состојба), таа обично прима или ослободува енергија. На пример, кога испарува водата, кинетичката енергија се зголемува кога молекулите се ослободуваат од привлечната сила на течноста, и ова се одразува во намалување на температурата. Енергијата потребна да се предизвика фазниот премин се зема од внатрешната топлинска енергија на водата, која ја разладува течноста до пониска температура; затоа, испарувањето е полезно за разладување. Кондензацијата е обратен процес, каде топлината се ослободува. Топлинската енергија (енталпијата) на преминот од цврста во течна состојба е топлината на топење, а онаа при премин од цврста во гасовите состојба е топлината на сублимирање.

Поврзано

Фазен премин
Фазно правило
Фазен дијаграм
Состојба на материјата (агрегатна состојба)

Белешки

↑ Еден ваков систем е, од најгоре: минерално масло, силиконско масло, вода, анилин, перфлуоро(диметилциклохексан, бел фосфор, галиум и жива. Системот останува бесконечно разделен при 45 °C, каде галиумот и фосфорот се во стопена состојба. Од Reichardt, C. (2006). Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. Wiley-VCH. стр. 9–10. ISBN 3-527-60567-3.

Наводи

↑ Modell, Michael; Robert C. Reid (1974). Thermodynamics and Its Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0-13-914861-2.
↑ Enrico Fermi (25 April 2012). Thermodynamics. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-13485-7.
↑ Clement John Adkins (14 July 1983). Equilibrium Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-27456-2.

Надворешни врски

Француските физичари најдоа раствор кој повратно се зацврстува со зголемување на температурата — α-циклодекстрин, вода и 4-метилпиридин

[4] Еден ваков систем е, од најгоре: минерално масло, силиконско масло, вода, анилин, перфлуоро(диметилциклохексан, бел фосфор, галиум и жива. Системот останува бесконечно разделен при 45 °C, каде галиумот и фосфорот се во стопена состојба. Од Reichardt, C. (2006). Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. Wiley-VCH. стр. 9–10. ISBN 3-527-60567-3.

[1] Modell, Michael; Robert C. Reid (1974). Thermodynamics and Its Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0-13-914861-2.

[Fermi2012-2] Enrico Fermi (25 April 2012). Thermodynamics. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-13485-7.

[Adkins1983-3] Clement John Adkins (14 July 1983). Equilibrium Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-27456-2.

[1]

[2]

[3]

[б 1]